[論文レビュー] Tokoin: A Coin-Based Accountable Access Control Scheme for Internet of Things

Chun-Chi Liu, Minghui Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2020

Advanced Malware Detection Techniques参考文献 30被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、ブロックチェーンおよびTEEを活用した、IoT向けの責任追及型アクセス制御方式「Tokoin-Based Access Control (TBAC)」を提案する。TBACは、アクセス権を暗号的に安全な「tokoins」として実体化し、誰が、何を、いつ、どこで、どのように、どのような行動的制約のもとでアクセスできるかを規定する細分化されたポリシーを備えたデジタル資産として管理する。TBACは、強力な監査性とリアルタイムのアクセス手順制御を実現し、60ms未塔の取引確認時間と低コストのCortex M23 MCU搭載による実装を示す、家庭内配送の事例研究を通じて検証された。

ABSTRACT

With the prevalence of Internet of Things (IoT) applications, IoT devices interact closely with our surrounding environments, bringing us unparalleled smartness and convenience. However, the development of secure IoT solutions is getting a long way lagged behind, making us exposed to common unauthorized accesses that may bring malicious attacks and unprecedented danger to our daily life. Overprivilege attack, a widely reported phenomenon in IoT that accesses unauthorized or excessive resources, is notoriously hard to prevent, trace and mitigate. To tackle this challenge, we propose Tokoin-Based Access Control (TBAC), an accountable access control model enabled by blockchain and Trusted Execution Environment (TEE) technologies, to offer fine-graininess, strong auditability, and access procedure control for IoT. TBAC materializes the virtual access power into a definite-amount and secure cryptographic coin termed "tokoin" (token+coin), and manages it using atomic and accountable state-transition functions in a blockchain. We also realize access procedure control by mandating every tokoin a fine-grained access policy defining who is allowed to do what at when in where by how. The tokoin is peer-to-peer transferable, and can be modified only by the resource owner when necessary. We fully implement TBAC with well-studied cryptographic primitives and blockchain platforms and present a readily available APP for regular users. We also present a case study to demonstrate how TBAC is employed to enable autonomous in-home cargo delivery while guaranteeing the access policy compliance and home owner's physical security by regulating the physical behaviors of the deliveryman.

研究の動機と目的

• IoTアクセス制御における深刻なセキュリティギャップ、特に検出・追跡が困難な過剰権限攻撃を解消すること。
• 従来の方式の限界、すなわち粗い粒度のポリシー、弱い監査性、アクセス手順制御の欠如を克服すること。
• 第三者サーバー依存を排除した、動的で柔軟かつ責任追及可能なアクセス制御モデルを設計すること。
• TEE保護実行を介して、ブロックチェーン取引からオフチェーンの物理的行動までにエンドツーエンドの信頼を拡張すること。
• 強力なセキュリティ保証のもと、実世界の家庭内貨物配送ユースケースを通じて実用的妥当性を示すこと。

提案手法

• TBACは、リソース所有者が発行する暗号的デジタル資産「tokoins」としてアクセス権を表現し、ブロックチェーンによる不変性と監査可能性を確保する。
• 各tokoinsは、アクセスのための細分化されたポリシーを符号化しており、誰が、何を、いつ、どこで、どのように（行動的制約を含む）アクセスできるかを規定する。
• 信頼実行環境（TEE）を基盤とする信頼できるアクセス制御オブジェクト（TACO）が、アクセス操作中にリアルタイムでポリシー準拠を強制する。
• すべてのオンチェーン取引（作成、移転、換金）はブロックチェーンによって保護されるが、オフチェーンのアクセス手順はTACOが監視・検証する。
• システムは軽量な暗号プリミティブと低コストのCortex M23 MCUを用いて、リソース制約のあるIoT環境への実用的導入を実現する。
• パフォーマンスは、Go-Tokoin（ネイティブ）、Quorum（コンsortium）、Ethereum Mainnet（パブリック）の各環境で評価され、取引時間とガスコストが報告されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IoTアクセス制御を、過剰権限攻撃を防ぐために、明確なポリシー表現によって十分に細分化可能にするにはどうすればよいか？
• RQ2 IoTシステムにおいて、リソースアクセス中の行動準拠を確保するために、リアルタイムのアクセス手順制御を達成できるか？
• RQ3 分散型かつ信頼性の高い方法で、オンチェーンおよびオフチェーンの両方の行動に対して、強力な監査性を実現できるか？
• RQ4 低コストで組み込み可能なIoTハードウェアに、TEEベースのアクセス制御システムを導入する際のパフォーマンスとコストのトレードオフはいかほどか？
• RQ5 実用的で使いやすいアプリケーションを構築することで、提案されたアクセス制御モデルの妥当性と利点を実証できるか？

主な発見

• TBACは、ネイティブのGo-Tokoinブロックチェーンを用いて60ms未塔の取引確認時間を達成し、Ethereum Mainnet（30〜50秒）やQuorum（1秒）を大きく上回る高速性を実現した。
• Go-Tokoinのプライベートチェーンでは取引手数料が発生しない一方、Ethereum Mainnetでは1取引あたり平均2967kガス（2019年7月時点で約14.70米ドル相当）を要した。
• TEEベースのTACOモジュールは、センサーサンプリングやアクション起動を含むリアルタイムアクセスにおいて、ポリシー準拠を成功裏に強制し、オフチェーンの信頼を一切必要としなかった。
• 実装は低コストのCortex M23 MCU（約10ドル）を用いており、従来のTEEシステムが高価なチップセットに依存するのとは異なり、実世界のIoT展開に実用的である。
• 家庭内貨物配送の事例研究により、TBACが物理的行動を安全に制御できることを確認した。たとえば、配達員が本物の部屋に入ることを防ぐなど、ポリシー準拠を保証できる。
• システムは、ブロックチェーンから物理的行動までにエンドツーエンドの信頼を拡張しており、資産の安全な貸出や、資格情報を暴露せずに委任タスクを実行するといった、新たなユースケースを可能にした。